利用半导体材料的光电化学性质把太阳光转化成电能或者氢能,是解决未来能源问题的有效方法之一。然而半导体材料中的结构缺陷及本征特性导致的电子-空穴复合限制了其光电化学应用,致使光能利用率变低。针对上述科学问题,本论文以Ti O₂材料为基础,结合石墨烯或石墨相氮化碳材料,构筑复合材料纳米架构,优化光电化学反应中的电子传输通道,进而提高材料光电化学性能。论文主要展开了如下三方面工作:1.构建Ti O₂光阳极纳米结构提高光电化学电池性能实验首先研究了不同Ti O₂纳米结构电极对电子传输和光电化学电池性能的影响。通过刮涂法,阳极氧化法和水热法制备了三种结构的TiO₂光阳极,TiO₂纳米粒子,TiO₂纳米管阵列和TiO₂微米片。光电化学性能研究表明,相比纳米粒子和纳米管阵列结构,微米片结构具备更加优异的光散射能力,显著提高光的捕获。纳米管阵列和微米片结构具备更加优异的电子转移能力,而比表面积更大的纳米粒子结构,光电转换效率达到3.85%;随后,结合不同结构的TiO₂的优势,实验分别通过阳极氧化,水热和刮涂法,层层组装构建了一维的纳米管阵列（底层）、三维的微米叶片阵列（中间层）和零维的TiO₂纳米粒子（上层）的三层TiO₂光电极。该结构协同整合快速的电子传输、优异的光散射以及光捕获能力,得到新的光阳极结构电池光电转换效率达到8.02%(其中短路电流为17.03 mA cm^-2,开路电压为0.78 V,填充因子为60.4%),这比基于纳米管阵列-纳米粒子的双层结构（6.3%）光电转换效率提高了27.3%。该研究思路可以有效应用于太阳能电池电子传输层的设计开发中。2.石墨烯/TiO₂复合材料提高光电化学电池电极中电荷转移能力晶粒间电子散射及损耗是影响石墨烯/TiO₂复合材料光电子传输的关键。实验通过控制石墨烯的添加量调控TiO₂纳米粒子的厚度,得到不同厚度石墨烯/TiO₂的电极材料。研究发现随着石墨烯含量的增加,电子迁移阻力显著降低;但是过多的石墨烯添加量增加了石墨烯材料的暴露面积,促进了电子-空穴的复合。把该系列材料应用到光电化学太阳能电池光阳极中,发现当石墨烯添加为10 mg时,得到的电池转换效率最高,为7.33%。为了进一步减少TiO₂纳米粒子间传输对电子的损耗,实验通过溶液热合成法将单晶锐钛矿型TiO₂纳米棒簇有序地“种植”在石墨烯纳米片上,制备了石墨烯/单晶锐钛矿型棒簇纳米杂化材料（rGO/ATRCs）。在光电化学太阳能电池中,这种分级的rGO/ATRCs纳米结构可以作为有效的光捕获电极材料;除此之外,rGO/ATRCs中单晶结构的锐钛矿纳米棒拥有低密度缺陷态,可以促进扩散驱动的电荷转移,从而抑制电子-空穴的复合。此外,rGO/ATRCs新奇的架构显著提高了电荷扩散效率,增加了电子的迁移率。应用到光电化学太阳能电池中,相比优化的石墨烯/TiO₂纳米粒子的光阳极电池,光电转换效率提高了22%,达到8.9%。凭借更高的电荷转移和转换效率,相比于传统的石墨烯-TiO₂纳米粒子,rGO/ATRCs在光电化学领域具备更大的优势。3.构筑石墨相氮化碳/TiO₂纳米管结构加快电子界面导出,增加光解水制氢能力光诱导生成的电子-空穴对的快速复合是石墨相氮化碳（g-C₃N₄）基光催化剂面临的最大缺陷。为了解决这一问题,实验采用模板法的概念,通过碱溶液处理了g-C₃N₄-TiO₂纳米管复合物,制备了多孔的超长Ti O₂纳米管交织的g-C₃N₄纳米片（PGCN/TNTs）。这个过程中剪除了过多的g-C₃N₄纳米片结构,电荷转移的迁移距离因此得以缩短,进而减弱了电子-空穴的复合。当进一步把PGCN/TNTs作为水裂解催化剂时,它平面内的孔洞和制备过程增加的亲水性一方面提高了催化过程中面间物质的穿梭,同时也为催化反应提供更多的活性位点。鉴于以上描述的材料的独特性,这种方法优化的光催化剂产氢效率可以达到1364μmol h^-11 g^-1（λ>400 nm）,并且在420 nm处的量子效率（AQE）达到6.32%。该研究为设计缩减g-C₃N₄中的电子-空穴复合提供了一个新的思路。